CN114193486A - 一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，包括法兰盘、滑轨、支架、长柔性手指、短柔性手指、压阻传感器、压电传感器以及各部件间的连接零件等。本发明的柔性手指包括气流道、分流道、进气口和柔性指节，气泵通过气管接入柔性手指的气腔内，经过气流道连通分流道，通过气压可以控制柔性指节实现向上、向下弯曲，并对果蔬进行抓取和释放。末端执行器的柔性手指模块带有压电传感器和压阻传感器，可以通过电压和电阻反馈果蔬的硬度和采摘力。柔性手指采用硅胶材料制作，通过末端执行器的二指结构可以有效解决果蔬毗邻的问题，实现单个果蔬的无损采摘和稳定抓取。
Description
技术领域
本发明涉及农业机器人果蔬采摘技术领域，具体涉及的是一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器。
背景技术
果实的收获采摘是农业生产过程中最重要的一环，也是果蔬生产过程中最耗时耗力、时效性最强的生产环节之一，所投入的劳动力约占整个生产种植过程的40％～50％。而农业采摘机器人可以替代或部分替代人工采摘，缓解农业劳动力的需求，其研究也逐渐成为机器人领域一个新的发展方向。
大多果蔬的表皮在采摘过程中容易受到损坏，且在生长过程中呈现毗邻生长的态势，还有一些果蔬生长环境复杂，这些问题对采摘机器人的有效采摘提出了较高的要求。
传统的机器人刚性末端执行器，通常存在效率低、控制复杂、稳定性差和果蔬易损伤等问题，因此，研究一种能够实现稳定抓取和无损采摘的末端执行器有着重大意义，成为急需解决的技术问题。
发明内容
本发明针对传统采摘机器人末端执行器的不足，提出了一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，柔性手指包括气流道、分流道、进气口和柔性指节，气泵通过气管接入柔性手指的气腔内，经过气流道连通分流道，通过气压能控制柔性指节实现向内、向外弯曲，并对果蔬进行抓取和释放。末端执行器的柔性手指模块带有压电传感器和压阻传感器，通过电压和电阻反馈果蔬的硬度和采摘力。柔性手指采用硅胶材料或其他柔性材料制作，通过末端执行器的二指结构，有效解决果蔬毗邻的问题，实现单个果蔬的无损采摘和稳定抓取。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，包括法兰盘、支架、滑轨和两根长度不同的柔性手指，两根柔性手指分别为长柔性手指和短柔性手指，每根柔性手指包含一系列依次连接的柔性指节；所述滑轨安装在法兰盘的一端，所述支架通过螺栓安装在滑轨上，所述长柔性手指和短柔性手指的一端作为手指根部分别安装在对应的支架上，所述长柔性手指和短柔性手指的另一端形成手指自由端；
柔性手指向内的一侧形成柔性手指内侧的接触工作面，所述柔性手指背向柔性手指内侧的工作面部分为柔性手指外侧；在长柔性手指和短柔性手指的内部皆设有空腔通道；每根柔性手指的腔体通道皆包括气流道和分流道，气流道沿着手指延伸方向设置，在各柔性指节中设有气流道，各气流道的底部靠近柔性手指内侧，气流道接入各柔性指节中的分流道，在靠近柔性手指根部位置设有进气口，由进气口一端接入气流道，进气口另一端通过气管与气源连接，分流道设置于在柔性手指外侧和气流道之间；柔性手指内侧的每个柔性指节的内侧表面形成柔性凸起结构；在气流道和柔性手指内侧之间，沿着手指延伸方向设置感知传感器，感知传感器用于检测柔性手指内侧的接触工作面的压力，感知传感器和气源控制装置分别与执行控制器信号连接；当气压发生改变时，各柔性手指的空腔通道发生膨胀或收缩，实现各柔性指节靠近柔性手指外侧的中空部分发生膨胀或收缩变形，进而使柔性手指发生形状弯曲，实现两根柔性手指的张开与闭合。本发明柔性手指采用中空腔体形式，既可以增大与果蔬的摩擦力，又可以避免挤压、损伤果蔬，增强了抓取的稳定性。本发明在保证抓取稳定性的前提下减少了手指个数，由此增大了包裹范围，减小了碰撞体积，可以采摘毗邻果蔬；长度不同的两个手指可以更好的包裹果蔬，提高采摘的稳定性。
优选地，所述滑轨设有多个安装位置，用于调节两个支架在滑轨上的间距和位置，从而调整柔性手指的抓取范围。本发明通过将柔性手指安装在不同位置来适应不同范围的果蔬采摘。本发明滑轨上具有多个安装位置，能调整安装位置来改变抓取直径。柔性末端执行器包括长柔性手指和短柔性手指，除长度外，结构完全相同。末端执行器通过柔性手指的张开与闭合实现果蔬的抓取与采摘。
优选地，所述柔性指节与待抓取物体接触的内侧具有半球形凸起或者半圆柱形凸起，凸起的曲面部分朝向待抓取物体。
优选地，所述长柔性手指和短柔性手指采用柔性硅胶材料或其他柔性材料制成柔性手指本体，并嵌入了无纺布。
优选地，所述感知传感器包括压阻传感器和压电传感器，用于通过电阻和电压反馈采摘力和果蔬的硬度信号。本发明通过电压和电阻反馈采摘力和果蔬的硬度，从而可以实现采摘力控制，实现果蔬的无损采摘。
优选地，所述法兰盘用于连接伺服电机与执行器，伺服电机的转动会带动末端执行器整体进行转动。
优选地，每个柔性指节靠近柔性手指外侧的中空部分形成方柱形状的结构，在不同的气压条件下，方柱形状的结构发生膨胀或收缩变形。
本发明柔性手指与果蔬接触侧面设计了半球形凸起或者半圆柱形凸起，增强了抓取的稳定性；所述柔性手指共有两个，长度互不相同，这样设计能更好地包裹单个果蔬；所述柔性手指采用硅胶材料，并嵌入了无纺布，既可以增大与果蔬的摩擦力，又可以避免挤压、损伤果蔬，还能使柔性手指的伸缩性更好；所述柔性手指包括压阻传感器与压电传感器，能感知反馈采摘力和果蔬的硬度；所述柔性手指通过气管与气源连接，由进气口接入气流道，气流道分别接入各个指节的分流道，当气压发生改变时，分流道发生膨胀或收缩，进而导致柔性手指的张开与闭合。
优选地，本发明的长柔性手指的一端有进气口，气泵通过气管与进气口连接，进气口接入气流道，气流道分别接入分流道。当气流道内通入一定压强的空气时，由于材料质地均匀、气腔形状的特殊性、四周壁厚不一的原因，一般最薄的区域将出现膨胀。通过改变不同区域的壁厚可以让驱动器按预想方式运动，也能通过使用多种材料来达到同样的效果。所述柔性指节内嵌入了无纺布，对于使用多种材料制成的柔性驱动器来说，由于不同材料刚度不同，通过让不同的材料呈现不同程度的形变，能让气体柔性驱动器按设想的路径运动。
当负压空气输入气流道内时，由于柔性手指外侧部分的刚度较小，将会收缩，而柔性手指内侧部分约束层刚度较大，限制了柔性手指内侧部分的收缩，因此实现柔性驱动器向柔性手指外侧弯曲变形，使末端执行器的两个手指之间张开。反之，当正压空气输入气流道内时，柔性手指外侧部分膨胀伸长，实现柔性驱动器向柔性手指内侧弯曲变形，使两个柔性手指靠拢，能抓住果蔬。通过交替地向气腔内输入负压、正压空气，气流道带动分流道发生膨胀或收缩，从而实现长柔性手指的张开与闭合，短柔性手指的工作原理和长柔性手指4的完全一样，通过长柔性手指和短柔性手指的配合工作，完成抓取动作。
优选地，所述压阻传感器用压敏电阻片作为敏感元件安装于传感器之中，当压阻传感器受到力的作用时，压敏电阻阻值发生变化，而这一变化与作用力的大小密切相关。通过对电阻值的实时测量，就可得到对应作用力的大小。所述压电传感器的压电材料受到外力作用时，内部发生极化现象，在材料表面产生电荷，变形越大，电荷量越多。在相同作用力下，果蔬的硬度越低，手指中间部分的压电传感器变形越大，产生的电信号幅值也就越大。果蔬的硬度越大，手指中间部分的压电传感器变形越小，产生的电信号幅值也就越小。通过标定可得到输出电信号与果蔬硬度的曲线关系，进而应用于果蔬硬度的测量。
当柔性手指的状态发生改变时，压阻传感器和压电传感器发生形变并反馈电信号变化，从而得到当前的采摘力和果蔬的硬度。机器人控制器接收压阻传感器测量到的数据，判断当前末端执行器采摘力的大小，根据不同的果蔬特性设置合适的阈值，当采摘力超过阈值时，机器人控制器将会停止继续增加采摘力，从而避免对果蔬造成损伤。机器人控制器接收压电传感器测量到的数据，判断当前采摘果蔬的硬度，并和视觉系统一起综合判断果蔬成熟度，通过对硬度值设定数值区间来保证末端执行器只采摘已成熟的果蔬。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明使用压阻传感器和压电传感器作为反馈系统，可以通过反馈所抓取果蔬的硬度和抓取力信息来调整采摘力，配合硅胶材料的使用可以实现无损采摘；
2.本发明使用一长一短两根柔性手指，增大了包裹范围，减少了末端执行器体积，有效解决果蔬毗邻的问题；另外，在接触侧作半圆形凸起设计，大大提高了采摘的稳定性；
3.本发明整体结构简单、安装方便，滑轨的设计使抓取动作具有较强的通用性，可以实现多种果蔬的采摘。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明优选实施例果蔬采摘机器人气动感知末端执行器装配结构示意图。
图2为本发明优选实施例果蔬采摘机器人气动感知末端执行器的长手指结构图。
图3为本发明优选实施例果蔬采摘机器人气动感知末端执行器的长手指剖面示意图。
说明书附图标记说明：1、法兰盘；2、支架；3、滑轨；4、长柔性手指；5、短柔性手指；41、柔性指节；42、压阻传感器；43、压电传感器；44、进气口；45、气流道；46、分流道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明的具体实施例予以详细说明。
实施例一
参见图1-图3，一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，包括法兰盘1、支架2、滑轨3和两根长度不同的柔性手指，两根柔性手指分别为长柔性手指4和短柔性手指5，每根柔性手指包含一系列依次连接的柔性指节41；所述滑轨2安装在法兰盘1的一端，所述支架2通过螺栓安装在滑轨3上，所述长柔性手指4和短柔性手指5的一端作为手指根部分别安装在对应的支架2上，所述长柔性手指4和短柔性手指5的另一端形成手指自由端；
柔性手指向内的一侧形成柔性手指内侧的接触工作面，所述柔性手指背向柔性手指内侧的工作面部分为柔性手指外侧；在长柔性手指4和短柔性手指5的内部皆设有空腔通道；每根柔性手指的腔体通道皆包括气流道45和分流道46，气流道45沿着手指延伸方向设置，在各柔性指节41中设有气流道45，各气流道45的底部靠近柔性手指内侧，气流道45接入各柔性指节41中的分流道46，在靠近柔性手指根部位置设有进气口44，由进气口44一端接入气流道45，进气口44另一端通过气管与气源连接，分流道46设置于在柔性手指外侧和气流道45之间；柔性手指内侧的每个柔性指节41的内侧表面形成柔性凸起结构；在气流道45和柔性手指内侧之间，沿着手指延伸方向设置感知传感器，感知传感器用于检测柔性手指内侧的接触工作面的压力，感知传感器和气源控制装置分别与执行控制器信号连接；当气压发生改变时，各柔性手指的空腔通道发生膨胀或收缩，实现各柔性指节41靠近柔性手指外侧的中空部分发生膨胀或收缩变形，进而使柔性手指发生形状弯曲，实现两根柔性手指的张开与闭合。
本实施例果蔬采摘机器人气动感知末端执行器主要包括法兰盘1、支架2、滑轨3和柔性手指；柔性手指包括长柔性手指4和短柔性手指5；每个柔性手指包括柔性指节41、感知传感器、进气口44、气流道45和分流道46。其中柔性手指共有两根，其中一根长度较长，另一根长度较短；所述柔性手指采用硅胶材料制成，完成果蔬的包裹与摘取。所述支架2用于将柔性手指安装到滑轨上。所述法兰盘1通过螺栓连接伺服电机与执行器，伺服电机的转动会带动末端执行器整体进行转动；所述支架2的一端搭在滑轨3上，并通过螺栓固定，所述支架2的另一端通过螺栓与柔性手指连接；本实施例果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，柔性手指包括气流道、分流道、进气口和柔性指节，气泵通过气管接入柔性手指的气腔内，经过气流道连通分流道，通过气压能控制柔性指节实现向内、向外弯曲，并对果蔬进行抓取和释放。通过压力反馈果蔬的硬度和采摘力。柔性手指采用硅胶材料或其他柔性材料制作，通过末端执行器的二指结构，有效解决果蔬毗邻的问题，实现单个果蔬的无损采摘和稳定抓取。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，所述滑轨3设有多个安装位置，用于调节两个支架2在滑轨3上的间距和位置，从而调整柔性手指的抓取范围。
所述柔性指节41与待抓取物体接触的内侧具有半球形凸起或者半圆柱形凸起，凸起的曲面部分朝向待抓取物体。
所述长柔性手指4和短柔性手指5采用柔性硅胶材料或其他柔性材料制成柔性手指本体，并嵌入了无纺布。
所述感知传感器包括压阻传感器42和压电传感器43，用于通过电阻和电压反馈采摘力和果蔬的硬度信号。
所述法兰盘1用于连接伺服电机与执行器，通过螺栓连接伺服电机与执行器，伺服电机的转动会带动末端执行器整体进行转动。
每个柔性指节41靠近柔性手指外侧的中空部分形成方柱形状的结构，在不同的气压条件下，方柱形状的结构发生膨胀或收缩变形。
在本实施例中，所述法兰盘1用于连接伺服电机与执行器；所述滑轨3设计了多个安装位置，用于调整柔性手指的抓取范围；所述滑轨3上有多个安装位置，通过将柔性手指安装在不同位置来适应不同范围的果蔬采摘。
所述柔性手指与果蔬接触侧面形成内侧接触工作面，设有一系列排布的半圆柱形凸起，增强了抓取的稳定性；所述柔性手指背向果蔬的外侧部分形成一系列间隙排列的方柱形状的结构，形成柔性指节41，各个方柱内部中空形成独立空腔，作为分流道46，各分流道46通过作为总管的气流道45连通；所述柔性手指共有两个，长度互不相同，这样设计能更好地包裹单个果蔬；所述柔性手指采用硅胶材料，既可以增大与果蔬的摩擦力，又能避免挤压果蔬，造成果蔬损伤；所述柔性手指包括压阻传感器42与压电传感器43，能感知反馈采摘力和果蔬的硬度；所述柔性手指通过气管与气源连接，由进气口44接入气流道45，气流道45分别接入各个指节的分流道46，当气压发生改变时，分流道46发生膨胀或收缩，进而导致柔性手指的张开与闭合。
如图1所示，法兰盘1的一端与滑轨3连接，支架2将长柔性手指4和短柔性手指5安装在滑轨3上，滑轨3上具有多个安装位置，能调整安装位置来改变抓取直径。柔性末端执行器包括长柔性手指4和短柔性手指5，利用长柔性手指4和短柔性手指5组成的夹具结构夹持果蔬，除长度外，结构完全相同。末端执行器通过柔性手指的张开与闭合实现果蔬的抓取与采摘。
如图2和图3所示，长柔性手指4的一端有进气口44，气泵通过气管与进气口44连接，进气口44接入气流道45，气流道45分别接入分流道46。当气流道45内通入一定压强的空气时，由于材料质地均匀、气腔形状的特殊性、四周壁厚不一的原因，最薄的区域将出现膨胀。通过改变不同的区域的壁厚让驱动按预想方式运动，或使用多种材料来达到同样的效果。所述柔性指节41内嵌入了无纺布，对于使用多种材料制成的柔性驱动器来说，由于不同材料刚度不同，通过让不同的材料呈现不同程度的形变来实现，能让气体柔性驱动器按设想的路径运动。
当负压空气输入气流道45内时，由于柔性手指外侧部分的刚度较小，将会收缩，而柔性手指内侧部分约束层刚度较大，限制了柔性手指内侧部分的收缩，因此实现柔性驱动器向柔性手指外侧弯曲变形，使末端执行器的两个手指之间张开。反之，当正压空气输入气流道45内时，柔性手指外侧膨胀变长，实现柔性驱动器向柔性手指内侧弯曲变形，使两个柔性手指靠拢，能抓住果蔬。通过交替地向气腔内输入负压、正压空气，气流道45带动分流道46发生膨胀或收缩，从而实现长柔性手指4的张开与闭合，短柔性手指5的工作原理和长柔性手指4的完全一样，通过长柔性手指4和短柔性手指5的配合工作，完成抓取动作。
所述压阻传感器42用压敏电阻片作为敏感元件安装于传感器之中，当压阻传感器42受到力的作用时，压敏电阻阻值发生变化，而这一变化与作用力的大小密切相关。通过对电阻值的实时测量，就可得到对应作用力的大小。所述压电传感器43的压电材料受到外力作用时，内部发生极化现象，在材料表面产生电荷，变形越大，电荷量越多。在相同作用力下，果蔬的硬度越低，手指中间部分的压电传感器43变形越大，产生的电信号幅值也就越大。果蔬的硬度越大，手指中间部分的压电传感器43变形越小，产生的电信号幅值也就越小。通过标定可得到输出电信号与果蔬硬度的曲线关系，进而应用于果蔬硬度的测量。
当柔性手指的状态发生改变时，压阻传感器42和压电传感器43发生形变并反馈电信号变化，从而得到当前的采摘力和果蔬的硬度。机器人控制器接收压阻传感器42测量到的数据，判断当前末端执行器采摘力的大小，根据不同的果蔬特性设置合适的阈值，当采摘力超过阈值时，机器人控制器将会停止继续增加采摘力，从而避免对果蔬造成损伤。机器人控制器接收压电传感器43测量到的数据，判断当前采摘果蔬的硬度，并和视觉系统一起综合判断果蔬成熟度，通过对硬度值设定数值区间来保证末端执行器只采摘已成熟的果蔬。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：包括法兰盘(1)、支架(2)、滑轨(3)和两根长度不同的柔性手指，两根柔性手指分别为长柔性手指(4)和短柔性手指(5)，每根柔性手指包含一系列依次连接的柔性指节(41)；所述滑轨(2)安装在法兰盘(1)的一端，所述支架(2)通过螺栓安装在滑轨(3)上，所述长柔性手指(4)和短柔性手指(5)的一端作为手指根部分别安装在对应的支架(2)上，所述长柔性手指(4)和短柔性手指(5)的另一端形成手指自由端；
柔性手指向内的一侧形成柔性手指内侧的接触工作面，所述柔性手指背向柔性手指内侧的工作面部分为柔性手指外侧；在长柔性手指(4)和短柔性手指(5)的内部皆设有空腔通道；每根柔性手指的腔体通道皆包括气流道(45)和分流道(46)，气流道(45)沿着手指延伸方向设置，在各柔性指节(41)中设有气流道(45)，各气流道(45)的底部靠近柔性手指内侧，气流道(45)接入各柔性指节(41)中的分流道(46)，在靠近柔性手指根部位置设有进气口(44)，由进气口(44)一端接入气流道(45)，进气口(44)另一端通过气管与气源连接，分流道(46)设置于在柔性手指外侧和气流道(45)之间；柔性手指内侧的每个柔性指节(41)的内侧表面形成柔性凸起结构；在气流道(45)和柔性手指内侧之间，沿着手指延伸方向设置感知传感器，感知传感器用于检测柔性手指内侧的接触工作面的压力，感知传感器和气源控制装置分别与执行控制器信号连接；当气压发生改变时，各柔性手指的空腔通道发生膨胀或收缩，实现各柔性指节(41)靠近柔性手指外侧的中空部分发生膨胀或收缩变形，进而使柔性手指发生形状弯曲，实现两根柔性手指的张开与闭合。
2.根据权利要求1所述果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：所述滑轨(3)设有多个安装位置，用于调节两个支架(2)在滑轨(3)上的间距和位置，从而调整柔性手指的抓取范围。
3.根据权利要求1所述果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：所述柔性指节(41)与待抓取物体接触的内侧具有半球形凸起或者半圆柱形凸起，凸起的曲面部分朝向待抓取物体。
4.根据权利要求1所述果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：所述长柔性手指(4)和短柔性手指(5)采用柔性硅胶材料或其他柔性材料制成柔性手指本体，并嵌入了无纺布。
5.根据权利要求1所述果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：所述感知传感器包括压阻传感器(42)和压电传感器(43)，用于通过电阻和电压反馈采摘力和果蔬的硬度信号。
6.根据权利要求1所述果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：所述法兰盘(1)用于连接伺服电机与执行器，伺服电机的转动会带动末端执行器整体进行转动。
7.根据权利要求1所述果蔬采摘机器人气动感知末端执行器，其特征在于：每个柔性指节(41)靠近柔性手指外侧的中空部分形成方柱形状的结构，在不同的气压条件下，方柱形状的结构发生膨胀或收缩变形。
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